Sistemas de produção de hidrogénio 27 

3.3.1. O hidrogénio

O hidrogénio é um gás incolor, inodoro, sem sabor e não tóxico, quando sujeito a condições normais na superfície terrestre, sendo a substância mais simples que podemos encontrar [33]. Do ponto de vista ambiental é não poluente, sendo que a sua utilização como combustível

28 Sistemas FV, Sistemas de Produção de Hidrogénio e Pilhas de Combustível

apenas liberta vapor de água. É o elemento mais abundante no universo, mas não existe livremente, existe sempre sob a forma de composto (associado a outro elemento).

Não se pode considerar o hidrogénio como uma “fonte” de energia, pois não se trata de energia primária (como o gás natural ou o crude) que existe disponível na natureza. Trata-se antes de uma forma de energia secundária que tem de ser produzida, tal como a electricidade.

O hidrogénio, e até certo ponto a electricidade, tem a vantagem de poder ser armazenado ao longo do tempo, superando assim as flutuações da oferta de energia associadas à intermitência das energias primárias. O hidrogénio pode ser obtido a partir de uma grande variedade de fontes, na medida em pode sempre ser auferido da forma mais adequada aos recursos aí existentes, encontrando-se disponível em qualquer parte do mundo.

Esta energia secundária pode alterar o modo como se tem explorado o potencial das energias renováveis. Como é sabido, existe no planeta uma ampla abundância de fontes de energia renováveis. Contudo, estas não se encontram distribuídas de forma homogénea por todo o planeta nem estão permanentemente disponíveis, a energia solar, eólica, bem como a maioria das restantes fontes de energia renováveis são regionais e não se encontram disponíveis de forma contínua. Além disto, os pontos de consumo ou utilização final distam-se muitas das vezes, dos locais onde se situam estas fontes de energia. Assim, as energias renováveis só se podem tornar na principal fonte de energia mundial (cobrindo a totalidade das necessidades de produção de energia) existindo forma de armazenar e transportar a sua energia de forma eficiente [34].

Para armazenar a energia eléctrica obtida a partir de fontes renováveis intermitentes, como a energia solar ou a energia eólica, pode produzir-se hidrogénio através de electrolisadores. Este hidrogénio pode ser armazenado e utilizado posteriormente para produzir electricidade, recorrendo a uma célula de combustível, quer em aplicações estacionárias (por exemplo, em edifícios), quer aplicações móveis (transportes). O hidrogénio pode mesmo possuir potencialidade para substituir os combustíveis fósseis a longo prazo, especialmente se for produzido a partir de fontes renováveis de energia [35]. Não obstante todo o seu potencial, é necessário encontrar soluções tecnologicamente eficientes, económicas e seguras para o manuseamento do hidrogénio.

O hidrogénio tem a mais alta energia por unidade de peso comparativamente com qualquer combustível, sendo um combustível leve mas com uma baixa densidade de massa por , Tem a capacidade de libertar uma porção fixa de energia quando reage com o oxigénio para formar água. Esta quantidade de energia é medida experimentalmente e quantificada através do que é designado por poder calorífico superior (HHV)2 _{e poder calorífico inferior (LHV)}3 _[35].

2 _{HHV - Higher Heating Value} 3 _{LHV - Lower Heating Value}

Tabela 3.2 - Densidade de energia do hidrogénio versus densidade de energia de outros portadores de

energia [36].

Portador de Energia Forma de

armazenamento

Densidade de energia por Massa [kWh/kg]

Densidade de energia por volume [kWh/l] Hidrogénio Gás (200 atm) 33,3 0,53 Gás (300 atm) 33,3 0,75 Gás (800 atm) 33,3 2,92 Líquido (-253 ºC) 33,3 2,36 Hidretos metálicos 0,58 3,18 Gás natural Gás (200 atm) 13,9 2,58 Gás (300 atm) 13,9 3,38 Líquido (-162 ºC) 13,9 5,8 GPL Líquido 12,9 7,5 Metanol Líquido 5,6 4,42 Gasolina Líquido 12,7 8,76 Gasóleo Líquido 11,6 9,7

Electricidade Bateria ácido-chumbo Bateria iões de lítio

0,05 0,1 0,25 0,05

Na tabela 3.2 a densidade de energia por massa [kWh/kg], corresponde ao LHV dos combustíveis, no caso do HHV do hidrogénio a densidade de energia é de 39,4 kWh/kg (Anexo 1).

3.3.2. Hidrogénio: formas de produção

O hidrogénio, tal como já foi referido pode ser obtido a partir de diversas fontes, podendo ser adquirido tanto a partir de combustíveis fósseis e de electricidade nuclear, como de energias renováveis. Dentro de cada uma destas, podemos considerar inúmeras fontes, no caso dos combustíveis fósseis, qualquer combustível rico em hidrogénio, como o gás natural e os derivados do petróleo (designados por hidrocarbonetos), e no caso das energias renováveis energia hidroeléctrica, solar, biomassa, etc., [34]. Utilizando energias renováveis estas serão aproveitadas como fonte de produção de electricidade que poderá ser utilizada juntamente com a água para o processo de electrólise.

Actualmente, quase todo o hidrogénio a nível mundial é obtido a partir de combustíveis fósseis. Cerca de 48% da produção total é feita a partir de gás natural, 30% a partir de petróleo,

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18% a partir de carvão e apenas cerca de 4% é obtido com electricidade recorrendo à electrólise [36].

Figura 3.9 – Origem do hidrogénio produzido a nível mundial [36].

Entre as formas de produção de hidrogénio existentes podemos referir [36]: 1. Separação com vapor de gás natural;

2. Oxidação parcial de gás natural; 3. Gasificação de carvão;

4. Gasificação de biomassa;

5. Electrólise com electricidade obtida através de:

i. Centrais térmicas (carvão, fuel, gás natural, nuclear, etc.);

ii. Energias renováveis (eólica, energia solar fotovoltaica, ondas, etc.); 6. Ciclos termoquímicos de alta temperatura:

i. Solar térmica; ii. Nuclear; 7. Produção biológica.

Apesar de todas as suas vantagens, a produção de hidrogénio não é forçosamente positiva a nível ambiental, dependendo muito do modo como é obtido. Pois se ao nível da utilização, o hidrogénio é considerado uma solução limpa e eficiente não existindo emissões de , ao nível da produção já não é assim, pois a produção de hidrogénio a partir de combustíveis fósseis é poluente, libertando , e gerando desperdício.

De todos os métodos de produção de hidrogénio existentes, a electrólise é tida como um dos métodos mais interessantes e com maior potencialidade no futuro, especialmente se for associada a energias renováveis. Esta associação perspectiva uma solução de produção de energia ambientalmente atractiva.

48% 18% 30% 4%

Produção de Hidrogénio

3.3.3. A electrólise

A electrólise é um processo através do qual, a passagem da corrente eléctrica através da água provoca a separação nos seus componentes originais, hidrogénio e oxigénio. O rendimento do processo é da ordem dos 95% [35]. A equação que representa o processo de electrólise é:

H 0 electricidade 1 ₂ , (Eq. 3.1) onde: H é o hidrogénio e O é o oxigénio.

Na reacção oposta à electrólise dá-se a libertação de vapor de água e electricidade. 1

2 0 . (Eq. 3.2)

Esta é a reacção que ocorre nas pilhas de combustível, para produção de electricidade.